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文档简介
7/112017年TI杯省大学生电子设计竞赛题目:单相用电器分析监测装置摘要本设计是单相用电器分析监测装置,主要由测量模块,控制模块,显示模块,电源模块,通讯模块组成。其中测量模块采用RN8209实现对电压,电流的测量与数据的送出,显示模块采用1.44寸TFTLCD液晶显示屏,通讯模块是蓝牙通讯,并通过控制模块STM32F103C8T6协调全部芯片工作,能实现电压、电流、功率和功率因素的实时测量和显示。关键字:STM32单片机;LCD液晶显示;蓝牙通讯目录36441.系统方案1237931.1主控芯片方案的比较与选择162481.2测量系统方案的比较与选择1155981.3通讯系统方案的比较与选择285932系统结构与工作原理2143932.1系统总体原理框图2135652.2系统各模块设计343922.2.1测量模块设计318412.2.2发送端和接收端模块设计3162992.2.3通讯模块设计4225073竞赛工作环境条件5219663.1设计分析软件环境595183.2仪器设备硬件平台5176994测试容与结果5162414.1测试方案5298724.2.测试结果与分析542005作品成效总结分析6212686参考资料6单相用电器分析监测装置(K题)[本科组]1.系统方案本系统主要由单片机控制模块、测量模块、显示模块、通讯模块,电源模块组成,下面分别论证这几个模块的选择。1.1主控芯片方案的比较与选择方案一:采用STC89C51单片机STC89C51是一种微控制器,具有低功耗,高性能的特点,具有在系统可编程(ISP)特性,再配合PC端的控制程序即可将用户的程序代码下载到单片机部,而且速度快,但是STC89C51只有一个串口,不符合发送与接收两个串口的要求。方案二:采用STM32单片机STM32系列都可满足高性能、低成本、低功耗的要求。\t"s://zhidao.baidu/question/_blank"STM32单片机程序具有模块化的特点,因所以其接口相对简单些,又因它自身带好多功能,工作速度也就快,而且STM32具有两个串口,符合设计要求。具有精密性,可靠性,安全性。综合比较上述方案,考虑到设计方案工作原理,方案二更适合于本设计。1.2测量系统方案的比较与选择方案一:采用ADE7755ADE7755属于高准确度电能计量集成电路,它可以将有功功率的信息以频率的形式输出,对温度的敏感度很低。同时ADE7755只在ADC和基准源中使用模拟电路,其他所有信号处理都使用数字电路,所以能保持极高的准确度与长期稳定性。方案二:采用RN8209RN8209不仅能够应用于有功功率、无功功率、有功能量、无功能量的测量,并能可以同时提供两路独立的有功功率和有效值、电压有效值、线频率、过零中断等,可以实现灵活的防窃电方案。综合比较上述方案,考虑到RN8209的功能更强,所以选择方案二。1.3通讯系统方案的比较与选择方案一:采用RS232接口RS232接口是全双工数据通讯模式,其数据的收发不能同时进行,可保证数据收发的不冲突,硬件上是通过方向切换来实现的,但是RS232具有\t"s://zhidao.baidu/question/_blank"传输距离有限,\t"s://zhidao.baidu/question/_blank"传输速率较低的缺点。方案二:采用RS485接口RS485的接口信号电平比RS232低,这就避免了接口电路芯片的损坏,且该电平与TTL电平兼容,方便与TTL电路连接。RS485接口是半双工数据通讯模式,所以其传输距离比RS232的传输距离远得多.数据最高传输速率也可以达到10Mbps。综合比较上述方案,方案二更适合本次设计要求。2系统结构与工作原理2.1系统总体原理框图系统总体设计方案如图1所示,每个模块在整个硬件系统中承担着一定的作用。其中RS485通信模块实现了STM32单片机与测量模块的通信。当测量模块输入数据时,STM32单片机就将数据通过RS485通信模块送出。测量模块的数据同样能通过RS485模块下传给单片机,然后通过蓝牙通讯将接受的数据具体的显示在LCD液晶显示屏上。图1系统总体设计框图2.2系统各模块设计2.2.1测量模块设计测量模块由RN8209对电压,火线电流与零线电流的采样,并对功率,能量进行测量。图2测量模块原理图2.2.2发送端和接收端模块设计发送端如图3所示,首先给采集模块发送特定的数据包,若接收成功,则通过蓝牙发送数据包,若接收失败,则返回接收端。接收端如图4所示,首先对接收的文件初始化,之后读取并处理数据。接着若按下学习键,则读取数据并判断是1-7键哪个键按下,数据存储在存储空间中,若停止按键,则返回判断位置;如继续,则读取数据并处理判断。如果没有按下学习键,则进入预设环节,若有预设,则存储A,B...GD数据;若没有,读取数据并判断具体电器,通过按键检测,判断按下1-7哪个数,之后将总体情况显示在总体界面上,并返回到读取数据端。图3发送端流程图图4接收端流程图2.2.3通讯模块设计图5RS485通讯模块原理图STM32采用TTL电平,为实现测量模块与CPU实现通信需要设计一款485转TTL电路。RS485是采用差分信号逻辑,接口信号低,不易损坏接口电路的芯片,且RS485接口采用平衡驱动器和差分接收器的组合,抗噪声干扰性好,能采用半双工的工作模式。3竞赛工作环境条件3.1设计分析软件环境设计过程中主要使用的软件有:microsoftvisio、AltiumDesigner等。3.2仪器设备硬件平台测试所使用的仪器设备有:万用表。4测试容与结果4.1测试方案首先用microsoftvisio画出系统总体的流程图,接着利用AltiumDesigner画出各个硬件部分的原理图,然后参照流程图,将各个硬件部分焊接在通用板上,用万用表检测各部分,确保无虚焊、漏焊且各引脚连接正确。将程序导入STM32单片机,进行总体性能指标的测量,调整电路或代码。4.2.测试结果与分析首先按下初始化键,接着按下学习键。若按下键1,则存储在A区,若按下键2,则存储在B区,以此类推。然后记录LCD液晶显示屏上的数据。记录数据如表格1。测试次数功率/W电流/mA电压/V功率因数128233023122330.56435212330.51547302330.40459382
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